(a) 水素
水素は陽子と電子からなる最も簡単な元素で、宇宙で最も多く存在する元素です。 酸素、ケイ素に次いで多く、地球上の全元素の約1wt%にあたる。 もちろん、地球上ではほとんどの水素が水として存在している。 また、水素は水素化物（H-）、原子（H）、陽子（H+）の間で極性を自由に変えることができるため、酸素や炭素など多くの元素とさまざまな化合物を形成する。
3種類の水素同位体のうち、重水素は1932年にH・C・Ureyらによって発見され、1934年には重水素から三重水素が合成された。 水素の約0.015％が重水素として存在し、水の電気分解により濃縮することができる。 トリチウムは、半減期が12.33年の「π電子」を放出する放射性同位体である。 重水素は水素の約2倍、トリチウムは水素の約3倍の質量があるため、同位体やそれを含む化合物の物性は大きく異なる。 同位体や水の物性の一部を表 ⑷に示します。 水素化合物のE-H結合が重水素置換によりE-D結合になると、赤外スペクトル中のE-H伸縮振動数が約 \frac{1}{sqrt{2}} に減少し、水素原子の位置を決定するのに有用である。 重水素置換が水素含有化合物の反応速度に著しい影響を与える場合、水素との結合の切断が反応速度を決定するステップであると結論できることがあります。
水素の核スピンは1/2で、その存在量から、NMR分光法では最も重要な核種です。 NMR is widely used not only for identification of organic compounds, but also for medical diagnostic purposes using MRI (magnetic resonance imaging) of water in living bodies. Human organs can now be observed with this non-invasive method.
| Properties | H2 | D2 | T2 | H2O | D2O | T2O | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Melting point* | 13.957 | 18.73 | 20.62 | 0.00 | 3.81 | 4.48 | |||
| Boiling point | 20.39 | 23.67 | 25.04 | 100.00 | 101.42 | 101.51 | |||
| Density (g cm-3, 25°C) | 0.9970 | 1.1044 | 1.2138 | ||||||
| Temp. 最大密度の温度（℃） | 11.23 | 13.23 | 3.98 | 11.23 | 13.23 | 13.23 | 3.98 | 3.98 |
*水素（K）、水（℃）
核スピンが0ではない核種の二原子分子には核スピン異性体が存在します。 特に水素分子の場合、その性質の違いは大きい。 パラ水素のスピンは反平行で和が0となり一重項状態となる。 一方、直流水素のスピンは平行で、その和は1になり、三重項状態になる。 パラ水素の方がエネルギーが低いため、低温ではパラ水素の方が安定である。 理論的には0Kでパラ水素の割合が100％ですが、室温では25％程度に減少します。これは、温度が高くなるとオルト水素の割合が増加するためです。 ガスクロマトグラフィーとH2の電子バンドスペクトルの回転線から、2つの水素異性体を識別することができる。